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遼西花崗巖三軸蠕變性能研究
0巖漿流變本構(gòu)特性遼寧西部是中國(guó)北方地臺(tái)中生代花崗巖巖漿形成的地區(qū)。中生代花崗巖大量,西藏地區(qū)煤炭和金屬資源豐富,是連接內(nèi)蒙古和吉林省的重要港口?;◢弾r已成為影響礦山、隧道工程和基礎(chǔ)設(shè)施的工程巖體。加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)研究對(duì)提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。趙陽(yáng)升、朱元廣等研究了不同試驗(yàn)條件下花崗巖體的蠕變特性,建立了考慮溫度效應(yīng)的花崗巖蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系.楊小彬、梁小勇等研究了煤巖體的損傷蠕變特性.潘鵬志等建立了巖石各向異性彈黏塑性蠕變模型.趙旭峰等研究了巖石在不同圍壓和不同應(yīng)力水平作用下軸向應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律.郤保平等建立了熱力耦合作用下花崗巖流變模型,推導(dǎo)出可描述高溫花崗巖的流變本構(gòu)方程.齊明山等研究了風(fēng)化花崗巖在不同圍壓和不同應(yīng)力水平作用下軸向應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律.申林方等研究了單裂隙巖石在應(yīng)力–滲流–化學(xué)耦合環(huán)境下的綜合響應(yīng)機(jī)制.張志鎮(zhèn)等研究了不同高溫下花崗巖的力學(xué)性質(zhì),分析了力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律.韋立德等提出了一個(gè)新的非線性元件模型,建立了較新的一維粘彈塑性本構(gòu)模型.王來(lái)貴等提出了一種改進(jìn)的西原模型,建立了蠕變參數(shù)非線性化模型.郭小紅等對(duì)風(fēng)化破碎類花崗巖的力學(xué)行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究.胡云華對(duì)高地應(yīng)力條件下研究了花崗巖的非線性力學(xué)特性與流變性,建立了描述花崗巖蠕變特征的非線性彈-粘塑性本構(gòu)模型.雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)花崗巖的力學(xué)性質(zhì)研究較多,但遼西地區(qū)花崗巖由多期侵入的巖基、巖株和巖脈組成,其工程力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少,本文采用TAW-2000電液伺服巖石三軸儀對(duì)遼西地區(qū)花崗巖的蠕變特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究.1試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)遼西花崗巖主要組成礦物為長(zhǎng)石、石英、黑白云母等,顆粒構(gòu)成主要為花崗鑲嵌結(jié)構(gòu),巖樣外觀呈灰白色,結(jié)構(gòu)均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬,無(wú)肉眼可見(jiàn)的微裂隙和層理.將巖樣加工成直徑為5cm、高10cm的圓柱形試樣,采用TAW-2000電液伺服巖石三軸儀進(jìn)行花崗巖試樣的三軸壓縮試驗(yàn),獲得了三軸壓縮曲線(見(jiàn)圖1),試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.2tzman疊加原理與強(qiáng)度環(huán)境蠕變實(shí)驗(yàn)的圍壓分別擬定為5MPa、10MPa和20MPa,采用單體分級(jí)加載方式進(jìn)行加載,獲得的蠕變曲線按照陳氏加載中所述Boltzman疊加原理轉(zhuǎn)換成單級(jí)加載的蠕變曲線簇(見(jiàn)圖2).當(dāng)圍壓為5MPa時(shí),偏應(yīng)力達(dá)到142.4MPa時(shí)蠕變曲線發(fā)生了2次跳躍,究其原因多為顆粒的晶體滑移或非均質(zhì)性引起的局部破裂所致,但不影響蠕變的整體發(fā)展趨勢(shì).當(dāng)圍壓為20MPa時(shí),蠕變的整個(gè)過(guò)程較平穩(wěn),從第五級(jí)載荷(偏應(yīng)力198MPa)開(kāi)始出現(xiàn)了一定的衰減階段蠕變特征,在經(jīng)歷4.55h后蠕變基本達(dá)到穩(wěn)定值0.3746%.3離散時(shí)間分析3.1-圍壓下的彈性變形通過(guò)對(duì)三軸蠕變數(shù)據(jù)的進(jìn)一步整理得到三軸蠕變條件下花崗巖的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖3).當(dāng)圍壓為5MPa和10MPa時(shí),在第一級(jí)載荷和第二級(jí)載荷下,巖樣的等時(shí)曲線均在點(diǎn)A和點(diǎn)B交匯,即AB段幾乎全為彈性變形.在點(diǎn)C、點(diǎn)D和點(diǎn)E的應(yīng)變隨著時(shí)間增長(zhǎng)均由疏變密,但應(yīng)變隨著時(shí)間增長(zhǎng),增長(zhǎng)幅度逐漸越小.當(dāng)應(yīng)力達(dá)到F點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值時(shí),應(yīng)變因增長(zhǎng)過(guò)大超過(guò)巖石的極限應(yīng)變值而導(dǎo)致最后發(fā)生加速蠕變破壞.當(dāng)圍壓為20MPa時(shí)等時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律與5MPa和10MPa時(shí)相似,不同的是圍壓使彈性變形段拖延至點(diǎn)D,應(yīng)變點(diǎn)的發(fā)散程度較低圍壓時(shí)有所減小.3.2初始模式分析基于花崗巖試件三軸蠕變數(shù)據(jù)獲得減速蠕變階段的等時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖4.(1)當(dāng)圍壓為5MPa時(shí),第一級(jí)和第二級(jí)載荷下蠕變速率基本為零.從第三級(jí)載荷(偏應(yīng)力106.8MPa)開(kāi)始,蠕變速率-時(shí)間曲線呈下降趨勢(shì),隨著時(shí)間的增長(zhǎng),軸向蠕變速率逐漸減小,蠕變速率逐漸下降為零,蠕變不再增長(zhǎng).在偏應(yīng)力142.4MPa時(shí),時(shí)間持續(xù)到5.84h后蠕變由衰減蠕變轉(zhuǎn)而進(jìn)入等速蠕變階段,蠕變速率穩(wěn)定在0.55μm/h.(2)當(dāng)圍壓為10MPa時(shí),前面兩級(jí)載荷下速率基本在零值徘徊,從第三級(jí)載荷(偏應(yīng)力129MPa)開(kāi)始,巖樣發(fā)生了衰減蠕變,蠕變速率逐漸減小最后趨于零值,直至第五級(jí)載荷(偏應(yīng)力172MPa)巖樣發(fā)生等速蠕變,等速蠕變速率穩(wěn)定在0.83μm/h.(3)當(dāng)圍壓為20MPa時(shí),前四級(jí)載荷的蠕變速率基本為零值.自第五級(jí)載荷(偏應(yīng)力198MPa)起,初始蠕變速率逐漸增大,且呈現(xiàn)出衰減蠕變的特征,直至蠕變速率衰減為零;在第七級(jí)載荷(偏應(yīng)力264MPa)時(shí),蠕變速率經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后穩(wěn)定在9×10-4mm/h,表明試樣進(jìn)入等速蠕變階段.3.3加速渙散巖樣加速渙散巖巖體逆運(yùn)動(dòng)變化特征在不同圍壓條件下,試樣經(jīng)過(guò)穩(wěn)定蠕變階段后,逐步發(fā)展到加速蠕變階段:當(dāng)圍壓5MPa時(shí),在151.3MPa偏應(yīng)力的作用下,巖樣持續(xù)3.58h后進(jìn)入加速蠕變階段;當(dāng)圍壓10MPa時(shí),在182.75MPa偏應(yīng)力的作用下,巖樣持續(xù)5.07h后進(jìn)入加速蠕變階段;當(dāng)圍壓20MPa時(shí),在280.5MPa偏應(yīng)力的作用下,巖樣持續(xù)10.5h后進(jìn)入加速蠕變階段.通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的加速蠕變階段蠕變速率的變化情況見(jiàn)圖5.加速蠕變階段反映了試樣蠕變破壞過(guò)程,蠕變速率則客觀地反映了蠕變的發(fā)展過(guò)程.對(duì)比加速蠕變階段的蠕變速率發(fā)現(xiàn),圍壓對(duì)蠕變速率作用明顯,隨著圍壓的增加,蠕變速率的波動(dòng)范圍大大降低,表明加速蠕變段的發(fā)展過(guò)程更為平穩(wěn),蠕變破壞經(jīng)歷的時(shí)間也更長(zhǎng).3.4長(zhǎng)期強(qiáng)度閾值的確定當(dāng)圍壓為5MPa時(shí),當(dāng)偏應(yīng)力為達(dá)到142.4MPa時(shí),蠕變速率有較大波動(dòng),等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變點(diǎn)始終沒(méi)有重合,應(yīng)變值也始終隨時(shí)間發(fā)生變化.而前一級(jí)載荷124.6MPa時(shí),蠕變速率最后趨近于零值,等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變點(diǎn)由疏變密、直至重合,應(yīng)變值不再增長(zhǎng).根據(jù)長(zhǎng)期強(qiáng)度的定義可知,試樣的實(shí)際長(zhǎng)期強(qiáng)度值應(yīng)處于這兩級(jí)載荷之間,即長(zhǎng)期強(qiáng)度的閾值為124.6~142.4MPa.同理,圍壓為10MPa和20MPa時(shí),長(zhǎng)期強(qiáng)度的閾值分別為150.5~172MPa和231~264MPa.將不同圍壓下長(zhǎng)期強(qiáng)度閾值與試樣強(qiáng)度(最大偏應(yīng)力)進(jìn)行對(duì)比分析,獲得的一致性結(jié)果為長(zhǎng)期強(qiáng)度閾值等于(0.7~0.8)(σ1~σ3).4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(1)遼西花崗巖的蠕變時(shí)效特征表征了蠕變的發(fā)展過(guò)程、變形特征和蠕變階段等變形特征,為科學(xué)合理地確定蠕變變形的構(gòu)成和蠕變階段分界點(diǎn)提供了依據(jù).(2)圍壓對(duì)蠕變
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